JP2009203903A - External combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液体部分を変位させ、作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する外燃機関に関する。 The present invention relates to an external combustion engine that displaces a liquid portion of a working medium by evaporation and condensation of the working medium, converts the displacement of the liquid portion of the working medium into mechanical energy, and outputs the mechanical energy.
従来、この種の外燃機関は、液体ピストン蒸気エンジンとも呼ばれ、管状の容器内に作動媒体を液相状態で流動可能に封入し、容器の一端部(加熱部)に配置された加熱器によって液相状態の作動媒体の一部を加熱して蒸発させ、容器の中間部(冷却部)に配置された冷却器によって作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させ、この作動媒体の蒸発と凝縮によって作動媒体の液体部分を周期的に変位(いわゆる自励振動)させ、容器の他端部と連通する出力部にて、この作動媒体の自励振動を機械的エネルギとして取り出すように構成されている(例えば、特許文献1)。
ところで、特願2007−174065号(以下、先願例と言う。)には、液体ピストン蒸気エンジンを、車両に搭載される発電装置に適用することが提案されている。この先願例では、車両の走行用エンジンである水冷式内燃機関(E/G)の排気ガスを加熱器の加熱源として利用して作動媒体を加熱することで、水冷式内燃機関の廃熱を回収して発電に利用する発電装置を構成している。 By the way, Japanese Patent Application No. 2007-174065 (hereinafter referred to as the prior application example) proposes that a liquid piston steam engine is applied to a power generation device mounted on a vehicle. In this prior application, the working medium is heated by using the exhaust gas of a water-cooled internal combustion engine (E / G), which is a traveling engine of a vehicle, as a heating source of the heater, thereby reducing the waste heat of the water-cooled internal combustion engine. It constitutes a power generation device that is recovered and used for power generation.
また、この先願例では、水冷式内燃機関の冷却水を液体ピストン蒸気エンジンの冷却器に循環させることで、水冷式内燃機関の冷却水循環回路と液体ピストン蒸気エンジンの冷却水循環回路とを共用化して構成の簡素化を図っている。 Further, in this prior application example, the cooling water circulation circuit of the water-cooled internal combustion engine and the cooling water circulation circuit of the liquid piston steam engine are shared by circulating the cooling water of the water-cooled internal combustion engine to the cooler of the liquid piston steam engine. The configuration is simplified.
この先願例によると、車両のイグニッションスイッチ(I/G)がOFFに操作されて水冷式内燃機関が停止すると、排気ガスが発生しなくなる。そのため、液体ピストン蒸気エンジンは、水冷式内燃機関の停止直後は加熱器に蓄えられた余熱によって加熱部が高温になっているが、その後徐々に加熱部の温度が低下して作動媒体を十分に加熱することができなくなり、液体ピストン蒸気エンジンの作動が停止するに至ることとなる。 According to this prior application example, when the ignition switch (I / G) of the vehicle is turned OFF and the water-cooled internal combustion engine is stopped, no exhaust gas is generated. Therefore, in the liquid piston steam engine, immediately after the water-cooled internal combustion engine is stopped, the heating part becomes high temperature due to the residual heat stored in the heater. It becomes impossible to heat, and the operation of the liquid piston steam engine stops.
しかしながら、一般的に、水冷式内燃機関の冷却水循環回路では、冷却水を循環させるウォーターポンプが水冷式内燃機関の動力によって駆動されるようになっているので、水冷式内燃機関が停止するとウォーターポンプも停止して冷却水の循環が止まってしまい、冷却水からの放熱量が極めて少なくなる。 However, in general, in the cooling water circulation circuit of the water-cooled internal combustion engine, the water pump that circulates the cooling water is driven by the power of the water-cooled internal combustion engine. And the circulation of the cooling water stops, and the amount of heat released from the cooling water is extremely reduced.
そして、図7に示すように、水冷式内燃機関の停止後において、余熱をもった加熱器から冷却器内の冷却水に伝わる熱量が、冷却水からの放熱量よりも多い場合には、冷却器内の冷却水の温度が上昇してしまう。 Then, as shown in FIG. 7, after the water-cooled internal combustion engine is stopped, if the amount of heat transferred from the heater having the remaining heat to the cooling water in the cooler is larger than the amount of heat released from the cooling water, cooling is performed. The temperature of the cooling water in the vessel will rise.
その結果、冷却器内の冷却水の温度が沸点以上まで上昇するに至ってしまうと、冷却器内の冷却水が沸騰することによって冷却水循環回路の内圧が異常に上昇してしまい、最悪の場合、冷却水循環回路の各種配管および機器が破損して冷却水漏れを引き起こしてしまうという問題がある。 As a result, when the temperature of the cooling water in the cooler rises to the boiling point or higher, the internal pressure of the cooling water circulation circuit rises abnormally due to the boiling of the cooling water in the cooler. There is a problem in that various pipes and equipment in the cooling water circulation circuit are damaged, causing leakage of cooling water.
なお、この問題は、水冷式内燃機関の停止後のみならず、水冷式内燃機関が高負荷状態から急に低負荷状態になったときにも同様に発生する虞がある。すなわち、ウォーターポンプが水冷式内燃機関の動力により駆動されることから、水冷式内燃機関の廃熱量が多い高負荷状態から冷却水の循環量が少ない低負荷状態に急になると冷却水の循環量が不足して冷却器内の冷却水の温度が上昇してしまうためである。 This problem may occur not only after the water-cooled internal combustion engine is stopped, but also when the water-cooled internal combustion engine suddenly changes from a high load state to a low load state. That is, since the water pump is driven by the power of the water-cooled internal combustion engine, if the water-cooled internal combustion engine suddenly changes from a high load state with a large amount of waste heat to a low load state with a small amount of coolant circulation, the circulation amount of the coolant water This is because the temperature of the cooling water in the cooler rises due to a shortage of water.
また、この問題は、液体ピストン蒸気エンジンを車両に搭載される発電装置に適用した場合、すなわち、水冷式内燃機関(車両の走行用エンジン)の排気ガスを加熱源として作動媒体を加熱して蒸発させ、水冷式内燃機関を冷却する冷却水を冷却源として作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させる場合のみならず、種々の熱機関の廃熱を加熱源として作動媒体を加熱して蒸発させ、当該熱機関を冷却する冷却用流体を冷却源として作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させる場合にも同様に発生する虞がある。 In addition, this problem occurs when a liquid piston steam engine is applied to a power generation device mounted on a vehicle, that is, the working medium is heated and evaporated by using the exhaust gas of a water-cooled internal combustion engine (vehicle traveling engine) as a heating source. Not only when cooling and condensing the steam of the working medium using cooling water that cools the water-cooled internal combustion engine as a cooling source, but also evaporating by heating the working medium using the waste heat of various heat engines as a heating source, The same problem may occur when the working fluid vapor is cooled and condensed using the cooling fluid for cooling the heat engine as a cooling source.
本発明は、上記点に鑑み、冷却器における冷却水の沸騰を抑制することを目的とする。 An object of this invention is to suppress the boiling of the cooling water in a cooler in view of the said point.
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、作動媒体が液体状態で流動可能に封入された管状の容器(11)と、
容器(11)の一端部と連通する加熱部(12a)を有し、加熱部(12a)にて作動媒体を加熱して蒸発させる加熱器(12)と、
容器(11)の中間部に配置され、加熱器(12)により発生した作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器(13)と、
容器(11)の他端部と連通し、作動媒体の蒸発と凝縮に伴う作動媒体の体積変動によって生じる作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(14)とを備え、
加熱器(12)は、熱機関(1)の廃熱を加熱源として作動媒体を加熱して蒸発させるようになっており、
冷却器(13)は、熱機関(1)を冷却する冷却用流体を冷却源として作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させるようになっており、
冷却用流体から外部に放熱される熱量が作動媒体から冷却用流体に伝わる熱量よりも小さくなったときに加熱部(12a)の温度(Th)を低下させる加熱部温度低下手段を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, in the invention described in claim 1, a tubular container (11) in which a working medium is encapsulated so as to be able to flow in a liquid state;
A heater (12) having a heating part (12a) communicating with one end of the container (11), and heating and evaporating the working medium in the heating part (12a);
A cooler (13) disposed in an intermediate portion of the container (11) and configured to cool and condense the vapor of the working medium generated by the heater (12);
An output unit (14) that communicates with the other end of the container (11), converts the displacement of the liquid part of the working medium caused by the volume fluctuation of the working medium accompanying evaporation and condensation of the working medium into mechanical energy, and outputs the mechanical energy With
The heater (12) evaporates by heating the working medium using the waste heat of the heat engine (1) as a heating source,
The cooler (13) cools and condenses the vapor of the working medium using a cooling fluid that cools the heat engine (1) as a cooling source,
A heating unit temperature lowering unit is provided for reducing the temperature (Th) of the heating unit (12a) when the amount of heat radiated from the cooling fluid to the outside is smaller than the amount of heat transferred from the working medium to the cooling fluid. And
これにより、冷却器(13)における冷却用流体の温度(Tw)の上昇を抑制することができるので、冷却器(13)における冷却水の沸騰を抑制することができる。 Thereby, since the raise of the temperature (Tw) of the cooling fluid in a cooler (13) can be suppressed, boiling of the cooling water in a cooler (13) can be suppressed.
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の外燃機関において、加熱部温度低下手段は、冷却器(13)に冷却用流体を循環させるポンプ手段(21、31)を有していることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the external combustion engine according to the first aspect, the heating part temperature lowering means has a pump means (21, 31) for circulating a cooling fluid to the cooler (13). It is characterized by being.
請求項3に記載の発明では、請求項2に記載の外燃機関において、加熱部温度低下手段は、熱機関(1)の廃熱量、加熱部(12a)の温度(Th)および冷却用流体の温度(Tw)の少なくとも1つに基づいてポンプ手段(21、31)を制御することを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the external combustion engine according to the second aspect, the heating part temperature lowering means includes a waste heat amount of the heat engine (1), a temperature (Th) of the heating part (12a), and a cooling fluid. The pump means (21, 31) is controlled based on at least one of the temperatures (Tw).
請求項4に記載の発明では、請求項2または3に記載の外燃機関において、ポンプ手段(21)は電力により駆動されることを特徴とする。
The invention according to
請求項5に記載の発明では、請求項2に記載の外燃機関において、ポンプ手段(21)は、出力部(14)からの出力によって駆動されるように出力部(14)に連結されていることを特徴とする。
In the invention according to claim 5, in the external combustion engine according to
請求項6に記載の発明では、請求項2ないし5のいずれか1つに記載の外燃機関において、冷却用流体の流路長が短くなるように、熱機関(1)を迂回して冷却用流体を流通させるバイパス流路(20)を備え、
バイパス流路(20)には、ポンプ手段(21)と、冷却用流体の有する熱を外部に放出する放熱手段(22)とが設けられていることを特徴とする。
In the invention according to claim 6, in the external combustion engine according to any one of
The bypass channel (20) is provided with pump means (21) and heat radiating means (22) for releasing the heat of the cooling fluid to the outside.
これによると、冷却用流体の流路長が短くなるので、ポンプ手段(21)の駆動動力を低減することができる。 According to this, since the flow path length of the cooling fluid is shortened, the driving power of the pump means (21) can be reduced.
請求項7に記載の発明では、請求項6に記載の外燃機関において、放熱手段(22)には、冷却用流体から放出された熱を蓄える蓄熱材が設けられていることを特徴とする。これによると、蓄熱材により熱の有効利用を図ることができる。
The invention according to
請求項8に記載の発明では、請求項1に記載の外燃機関において、加熱部温度低下手段は、加熱器(12)を外部から冷却する冷却手段(40、41)を有していることを特徴とする。
In the invention according to
請求項9に記載の発明では、請求項8に記載の外燃機関において、冷却手段(40)は、加熱器(12)に送風する手段であることを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the external combustion engine according to
請求項10に記載の発明では、請求項8に記載の外燃機関において、冷却手段(41)は、加熱器(12)に水をかける手段であることを特徴とする。
The invention according to
請求項11に記載の発明では、請求項1ないし10のいずれか1つに記載の外燃機関において、加熱部温度低下手段は、冷却用流体から外部に放熱される熱量が作動媒体から冷却用流体に伝わる熱量よりも小さくなったことを、少なくとも加熱部(12a)の温度(Th)に基づいて判定する判定手段(S100、S300)を有していることを特徴とする。 According to an eleventh aspect of the present invention, in the external combustion engine according to any one of the first to tenth aspects, the heating unit temperature lowering means is configured to reduce the amount of heat radiated from the cooling fluid to the outside from the working medium. It has the determination means (S100, S300) which determines based on the temperature (Th) of a heating part (12a) at least that it became smaller than the calorie | heat amount transmitted to a fluid, It is characterized by the above-mentioned.
請求項12に記載の発明では、請求項11に記載の外燃機関において、判定手段(S100、S300)は、熱機関(1)が停止した状態にあり、かつ、加熱部(12a)の温度(Th)が冷却用流体の沸点を超えているときに、冷却用流体から外部に放熱される熱量が作動媒体から冷却用流体に伝わる熱量よりも小さくなっているとみなすことを特徴とする。
In the invention according to
なお、本発明における「加熱部(12a)の温度(Th)が冷却用流体の沸点を超えているとき」とは、加熱部(12a)の温度(Th)が冷却用流体の沸点を厳密に超えているときのみを意味するものではなく、加熱部(12a)の温度(Th)が冷却用流体の沸点近傍の温度を超えているときをも含む意味のものである。 In the present invention, “when the temperature (Th) of the heating part (12a) exceeds the boiling point of the cooling fluid” means that the temperature (Th) of the heating part (12a) strictly determines the boiling point of the cooling fluid. It does not mean only when the temperature exceeds, but also includes the time when the temperature (Th) of the heating part (12a) exceeds the temperature near the boiling point of the cooling fluid.
請求項13に記載の発明では、請求項11または12に記載の外燃機関において、判定手段(S300)は、加熱部(12a)内部の圧力に基づいて加熱部(12a)の温度(Th)を算出することを特徴とする。
In the invention according to
請求項14に記載の発明では、請求項11または12に記載の外燃機関において、判定手段(S300)は、加熱器(12)から放射される輻射熱に基づいて加熱部(12a)の温度(Th)を算出することを特徴とする。
In the invention according to
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について説明する。本実施形態は、本発明による外燃機関(液体ピストン蒸気エンジン)を、車両に搭載される発電装置に適用したものである。図1は本実施形態による車両用発電装置の模式的な全体構成図である。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an external combustion engine (liquid piston steam engine) according to the present invention is applied to a power generation device mounted on a vehicle. FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a vehicle power generator according to the present embodiment.
まず、液体ピストン蒸気エンジン10の概要を簡単に説明する。液体ピストン蒸気エンジン10は、作動媒体(本例では、水)が液体状態で流動可能に封入された管状の容器11と、作動媒体を加熱して蒸発させる加熱器12と、加熱器12によって蒸発した作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器13と、作動媒体の蒸発と凝縮に伴う作動媒体の体積変動によって生じる作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部14とに大別される。
First, the outline of the liquid
本例では、容器11を複数本(図1の例では、3本)並列に配置し、いわゆる複気筒型の液体ピストン蒸気エンジンを構成しているが、容器11を1本のみ配置して、いわゆる単気筒型の液体ピストン蒸気エンジンを構成するようにしてもよい。
In this example, a plurality of containers 11 (three in the example of FIG. 1) are arranged in parallel to constitute a so-called multi-cylinder liquid piston steam engine, but only one
加熱器12は、車両の走行用エンジンである水冷式内燃機関(熱機関)1の排気ガスと熱交換する熱交換器であり、容器11の一端部に配置されている。加熱器12の内部には、容器11と連通する空間が形成されており、この空間は水冷式内燃機関1の排気ガスを加熱源として作動媒体を加熱する加熱部12aを構成している。
The
冷却器13は、水冷式内燃機関1を冷却する冷却水(冷却用流体)が内部を循環することで作動媒体の蒸気を冷却するものであり、容器11の中間部が貫通するように配置されている。したがって、容器11の中間部は、作動媒体を冷却する冷却部を構成している。
The cooler 13 cools the vapor of the working medium by circulating cooling water (cooling fluid) that cools the water-cooled internal combustion engine 1, and is disposed so that an intermediate portion of the
出力部14は、作動媒体の液体部分の往復変位(直線運動)を回転運動に変換して出力軸14aから出力するものであり、例えば、ピストン、クランク軸等からなる膨張機で構成することができる。また、直線運動に切り替えるために、リニアモータも使用可能である。
The
出力部14の出力軸14aには、モータージェネレータ15が連結されている。このモータージェネレータ15は、液体ピストン蒸気エンジン10の作動時には出力部14からの出力によって発電して蓄電池16を充電することができ、液体ピストン蒸気エンジン10の停止時には蓄電池16から電力の供給を受けて出力部14の出力軸14aを駆動することができる。
A
例えば、液体ピストン蒸気エンジン10の始動時には、モータージェネレータ15が、液体ピストン蒸気エンジン10を始動するためのスタータとして機能する。本例では、蓄電池16として、車両に搭載される既存のバッテリー(図示せず)を用いているが、既存のバッテリーとは別個の専用の蓄電池を用いてもよい。
For example, when the liquid
次に、水冷式内燃機関1を冷却する冷却水の循環回路(以下、冷却水循環回路と言う。)について説明する。冷却水循環回路は、水冷式内燃機関1から流出した冷却水のもつ熱量を外部(外気)に放熱させるラジエータ回路2と、水冷式内燃機関1から流出した冷却水のもつ熱量によって車室内空調空気を加熱するヒータ回路3とに大別される。
Next, a cooling water circulation circuit for cooling the water-cooled internal combustion engine 1 (hereinafter referred to as a cooling water circulation circuit) will be described. The cooling water circulation circuit has a
ラジエータ回路2には、冷却水と外気との熱交換によって冷却水を冷却するラジエータ4が配置されている。ラジエータ4に送風する電動送風ファン5は、上述のバッテリーから供給される電力によって駆動される。
A
ヒータ回路3には、車両用空調装置のヒータコア6が配置されている。このヒータコア6は、冷却水と車室内空調空気との熱交換によって車室内空調空気を加熱する加熱用熱交換器である。ヒータ回路3は、水冷式内燃機関1の冷却水入口側にてラジエータ回路2と合流するようになっている。
The
水冷式内燃機関1の冷却水入口側には、ラジエータ回路2およびヒータ回路3に冷却水を循環させるウォーターポンプ7が配置されている。このウォーターポンプ7は水冷式内燃機関1の動力により駆動される。
A
ラジエータ回路2のうちヒータ回路3との合流部よりも上流側には、ラジエータ回路2を流通する冷却水の流量とヒータ回路3を流通する冷却水の流量との流量割合を調節するサーモスタット8が配置されている。
A
ヒータ回路3において、水冷式内燃機関1とヒータコア6との間に、液体ピストン蒸気エンジン10の冷却器13が配置されている。また、ヒータ回路3において、冷却器13の冷却水入口側と冷却水出口側との間には、バイパス流路20が設けられている。
In the
このバイパス流路20は、冷却器13の冷却水出口部から流出した冷却水を、水冷式内燃機関1およびヒータコア6等を迂回させて冷却器13の冷却水入口部に向かって流通させる迂回路であり、ヒータ回路3における冷却水流路長を短縮するように設けられている。
This
バイパス流路20には、バイパス流路20に冷却水を流通させる補助ウォーターポンプ(ポンプ手段)21と、冷却水と外気との熱交換によってバイパス流路20を流れる冷却水を冷却する補助ラジエータ(放熱手段)22とが配置されている。
The
補助ウォーターポンプ21は、蓄電池16から供給される電力によって駆動される電動ウォーターポンプである。補助ラジエータ22に送風する電動送風ファン23も蓄電池16から供給される電力によって駆動される。補助ウォーターポンプ21および補助ラジエータ22の電動送風ファン23は、図示しない電子制御装置によって制御される。
The
詳細は後述するが、これらバイパス流路20、補助ウォーターポンプ21、補助ラジエータ22、電動送風ファン23および電子制御装置は、冷却水から外部(外気)に放熱される熱量が作動媒体から冷却水に伝わる熱量よりも小さくなったときに加熱部12aの温度(以下、加熱部温度と言う。)Thを低下させる加熱部温度低下手段を構成する。なお、加熱部温度低下手段の具体的構成は、これに限定されるものではなく、後述するように種々変形が可能である。
Although the details will be described later, the
ヒータ回路3には、冷却水流路を開閉する電気式の開閉弁24〜27が配置されている。具体的には、バイパス流路20の分岐部3aとヒータコア6との間、バイパス流路20の合流部3bと水冷式内燃機関1との間、バイパス流路20の入口部およびバイパス流路20の出口部に配置されている。
In the
これら開閉弁24〜27の作動も電子制御装置によって制御される。本例では、上述したウォーターポンプ7およびラジエータ4の電動送風ファン5も電子制御装置によって制御される。
The operation of these on-off
電子制御装置は、CPU、ROMおよびRAM等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成され、そのROM内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行い、出力側に接続された各種機器の作動を制御する。 The electronic control unit is composed of a well-known microcomputer including a CPU, ROM, RAM, etc. and its peripheral circuits, and performs various calculations and processing based on a control program stored in the ROM, and is connected to the output side. Control the operation of various devices.
この電子制御装置の入力側には、加熱部温度Thを検出する加熱部温度センサ28、水冷式内燃機関1の冷却水出口側における冷却水温度Twを検出する冷却水温センサ29、および水冷式内燃機関1の冷却水出口側における冷却水流量Fwを検出する冷却水流量センサ30からの検出信号が入力される。
On the input side of the electronic control unit, a heating
加熱部温度センサ28は、加熱部12aに配置されている。冷却水温センサ29および冷却水流量センサ30は、ヒータ回路3において水冷式内燃機関1の冷却水出口側に配置されている。
The heating
加熱部温度センサ28としては熱電対を用いることができる。加熱部温度センサ28で加熱部温度Thを検出する代わりに、加熱部12aの内圧を検出する圧力センサを設け、電子制御装置が加熱部12aの内圧に基づいて加熱部温度Thを算出するようにしてもよい。また、加熱器12から放射される輻射熱を検出する輻射熱センサを設け、電子制御装置が加熱器12から放射される輻射熱に基づいて加熱部温度Thを算出するようにしてもよい。
A thermocouple can be used as the heating
次に、上記構成における本実施形態の作動を説明する。車両用発電装置の作動は、水冷式内燃機関1の作動時に行われる通常運転モードと、水冷式内燃機関1の停止後に行われる冷却モードとに大別される。 Next, the operation of this embodiment in the above configuration will be described. The operation of the vehicular power generator is roughly classified into a normal operation mode performed when the water-cooled internal combustion engine 1 is operated and a cooling mode performed after the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped.
通常運転モードは、水冷式内燃機関1の排気ガスのもつ廃熱を回収して発電を行うものであり、第1、第2冷却モードは、水冷式内燃機関1の停止後に液体ピストン蒸気エンジン10を冷却するものである。
In the normal operation mode, the exhaust heat of the water-cooled internal combustion engine 1 is recovered to generate power, and in the first and second cooling modes, the liquid
通常運転モードでは、液体ピストン蒸気エンジン10において、加熱器12が水冷式内燃機関1の排気ガスを加熱源として作動媒体を加熱して蒸発させる。これにより、容器11の一端側に高温・高圧の作動媒体の蒸気が蓄積され、作動媒体の液体部分が容器11の他端側(出力部14側)に押し出されて変位する。
In the normal operation mode, in the liquid
ここで、水冷式内燃機関1の作動時には、ウォーターポンプ7が駆動されてヒータ回路3に冷却水が循環している。このため、容器11の一端側に蓄積された作動媒体14の蒸気が容器11の中間部(冷却器13の配置部位)まで到達すると、冷却器13内を循環する冷却水によって作動媒体の蒸気が冷却されて凝縮される。これにより、作動媒体の蒸気によって出力部14側に押し出されていた作動媒体の液体部分が加熱器12側に押し戻される。
Here, when the water-cooled internal combustion engine 1 is in operation, the
こうした動作は、加熱器12及び冷却器13の動作を停止させるまで繰り返し実行され、その間、容器11内の作動媒体は周期的に変位(いわゆる自励振動)する。作動媒体の自励振動(直線運動)は、出力部14において出力軸14aの回転運動に変換されて出力され、これによりモータージェネレータ15にて発電が行われて蓄電池16が充電される。
Such an operation is repeatedly performed until the operations of the
冷却モードは、さらに、第1冷却モードと第2冷却モードとに大別される。第1冷却モードでは、加熱器12に蓄えられた余熱で液体ピストン蒸気エンジン10を作動させて出力部14から出力を取り出し、この出力を用いてモータージェネレータ15で発電を行う。このとき、冷却水がバイパス流路20のみを流通して水冷式内燃機関1およびヒータコア6側へは流通しないように、電子制御装置が開閉弁24〜27を作動させる。
The cooling mode is further roughly divided into a first cooling mode and a second cooling mode. In the first cooling mode, the liquid
そして、モータージェネレータ15で発電された電力によって補助ウォーターポンプ21を駆動して、冷却器13に冷却水を循環させる。これと同時に、補助ラジエータ22の電動送風ファン23も、モータージェネレータ15で発電された電力によって駆動される。これにより、冷却器13で作動媒体が冷却され、加熱器12の余熱が徐々に奪われて加熱部温度Thが徐々に低下する。
Then, the
第2冷却モードでは、蓄電池16から供給される電力によってモータージェネレータ15を駆動することにより、出力部14の出力軸14aを駆動して容器11内の作動媒体を強制的に変位させる。これと同時に、補助ウォーターポンプ21および補助ラジエータ22の電動送風ファン23も蓄電池16から供給される電力によって駆動する。
In the second cooling mode, the
これにより、冷却器13で作動媒体が冷却され、冷却された作動媒体が加熱部12aに進入することで加熱器12を冷却するので、加熱器12の余熱がさらに奪われて加熱部温度Thがさらに低下する。
As a result, the working medium is cooled by the cooler 13, and the cooled working medium enters the
これら通常運転モード、第1、第2冷却モードの切替制御を図2、図3に基づいて説明する。図2は、電子制御装置が実行する制御処理の概要を示すフローチャートであり、この制御処理は、図示しない車両始動スイッチ(イグニッションスイッチ)が投入(ON)されるとスタートする。 Switching control between the normal operation mode and the first and second cooling modes will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a flowchart showing an outline of the control process executed by the electronic control unit. This control process starts when a vehicle start switch (ignition switch) (not shown) is turned on.
まず、ステップS100では水冷式内燃機関1が作動しているか否かを判定する。なお、ステップS100および後述するステップS300は、本発明における判定手段に該当するものである。 First, in step S100, it is determined whether or not the water-cooled internal combustion engine 1 is operating. Note that step S100 and step S300, which will be described later, correspond to determination means in the present invention.
ステップS100において、水冷式内燃機関1が作動している(ON)と判定した場合には、ステップS200へ進み、上述した通常運転モードを実行する。ステップS100において、水冷式内燃機関1が停止している(OFF)と判定した場合には、ステップS300へ進み、加熱部温度Thが第1の所定温度Tbを超えているか否かを判定する。 If it is determined in step S100 that the water-cooled internal combustion engine 1 is operating (ON), the process proceeds to step S200, and the normal operation mode described above is executed. If it is determined in step S100 that the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped (OFF), the process proceeds to step S300, and it is determined whether or not the heating unit temperature Th exceeds the first predetermined temperature Tb.
ここで、第1の所定温度Tbとしては、例えば、冷却水の沸点または沸点近傍の温度を設定することができる。冷却水の沸点近傍の温度としては、冷却水循環回路の内圧が耐圧性能上の上限圧力になるときの温度を設定することができる。 Here, as the first predetermined temperature Tb, for example, the boiling point of the cooling water or a temperature near the boiling point can be set. As the temperature in the vicinity of the boiling point of the cooling water, the temperature at which the internal pressure of the cooling water circulation circuit becomes the upper limit pressure in the pressure resistance performance can be set.
ステップS300において、加熱部温度Thが第1の所定温度Tbを超えていると判定した場合には、ステップS400へ進み、上述した冷却モードに移行する。ステップS300において加熱部温度Thが第1の所定温度Tb以下であると判定した場合には、冷却モードを行うことなく制御処理を終了する。 If it is determined in step S300 that the heating part temperature Th exceeds the first predetermined temperature Tb, the process proceeds to step S400, and the above-described cooling mode is entered. When it determines with heating part temperature Th being below 1st predetermined temperature Tb in step S300, control processing is complete | finished, without performing cooling mode.
図3は、冷却モード時に電子制御装置が実行する制御処理の概要を示すフローチャートである。冷却モードでは、まず、ステップS410にて、加熱部温度Thが第2の所定温度Toを超えているか否かを判定する。ここで、第2の所定温度Toとしては、液体ピストン蒸気エンジン10から出力を取り出すことが可能な下限温度を設定する。
FIG. 3 is a flowchart showing an outline of control processing executed by the electronic control device in the cooling mode. In the cooling mode, first, in step S410, it is determined whether or not the heating part temperature Th exceeds the second predetermined temperature To. Here, as the second predetermined temperature To, a lower limit temperature at which an output can be taken out from the liquid
すなわち、液体ピストン蒸気エンジン10は、加熱部温度Thがある温度未満になると作動媒体の自励振動を維持することができなくなり、出力を取り出すことができなくなる。そこで、作動媒体の自励振動を維持でき、出力を取り出すことができる加熱部温度Thの下限値を第2の所定温度Toとして設定する。なお、第2の所定温度Toは、第1の所定温度Tbよりも高い温度である(To>Tb)。
That is, the liquid
ステップS410において、加熱部温度Thが第2の所定温度Toを超えていると判定した場合には、ステップS420へ進み、上述した第1冷却モードを行う。第1冷却モードは、ステップS410において加熱部温度Thが第2の所定温度To以下と判定されるまで行われる。 If it is determined in step S410 that the heating part temperature Th exceeds the second predetermined temperature To, the process proceeds to step S420, and the above-described first cooling mode is performed. The first cooling mode is performed until it is determined in step S410 that the heating part temperature Th is equal to or lower than the second predetermined temperature To.
ステップS410において、加熱部温度Thが第2の所定温度To以下であると判定した場合には、ステップS430へ進み、上述した第2冷却モードに移行する。第2冷却モードは、ステップS440において、加熱部温度Thが第1の所定温度Tb以下であると判定と判定されるまで行われる。 If it is determined in step S410 that the heating part temperature Th is equal to or lower than the second predetermined temperature To, the process proceeds to step S430, and the above-described second cooling mode is entered. The second cooling mode is performed until it is determined in step S440 that the heating part temperature Th is equal to or lower than the first predetermined temperature Tb.
そして、ステップS440において加熱部温度Thが第1の所定温度Tb以下であると判定されると第2冷却モードを終了し、冷却モード自体を終了する。 Then, when it is determined in step S440 that the heating part temperature Th is equal to or lower than the first predetermined temperature Tb, the second cooling mode is ended, and the cooling mode itself is ended.
図4は、本実施形態における制御の一例を示すタイミングチャートである。なお、図4における放熱量は、加熱器12から回収して外部(外気)に放熱された熱量を意味している。また、図4における冷却水温度は、冷却器13内の冷却水の温度を意味している。
FIG. 4 is a timing chart showing an example of control in the present embodiment. Note that the heat release amount in FIG. 4 means the amount of heat recovered from the
図4からわかるように、本実施形態によると、水冷式内燃機関1が停止したときに加熱部温度Thが第1の所定温度Tb(例えば、冷却水の沸点)を超えていると第1、第2冷却モードを行うので、水冷式内燃機関1が停止しても加熱部温度Thが第1の所定温度Tb以下になるまで液体ピストン蒸気エンジン10の冷却器13に冷却水が循環し続けることとなる。
As can be seen from FIG. 4, according to this embodiment, when the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped, the heating portion temperature Th exceeds the first predetermined temperature Tb (for example, the boiling point of the cooling water), Since the second cooling mode is performed, the cooling water continues to circulate in the cooler 13 of the liquid
このため、水冷式内燃機関1の停止後において、余熱をもった加熱器12が速やかに冷却されて加熱部温度Thが速やかに低下することとなる。その結果、水冷式内燃機関1の停止後において、液体ピストン蒸気エンジン10の加熱器12に蓄えられた余熱によって冷却器13内の冷却水の温度が上昇してしまうことを抑制できる。
For this reason, after the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped, the
すなわち、本実施形態は、水冷式内燃機関1が停止した状態にあり、かつ、加熱部温度Thが第1の所定温度Tb(例えば、冷却水の沸点)を超えているときに、冷却水から外部(外気)に放熱される熱量が作動媒体から冷却水に伝わる熱量よりも小さくなっているとみなし、上述した加熱部温度低下手段で加熱部12aの温度Thを低下させている。
That is, in this embodiment, when the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped and the heating part temperature Th exceeds a first predetermined temperature Tb (for example, the boiling point of the cooling water), The amount of heat radiated to the outside (outside air) is considered to be smaller than the amount of heat transferred from the working medium to the cooling water, and the temperature Th of the
このため、冷却器13内の冷却水の温度が沸点以上まで上昇して冷却水が沸騰してしまうことを抑制することができる。その結果、冷却水の沸騰により冷却水循環回路の内圧が異常に上昇して冷却水循環回路の各種配管および機器が破損し、冷却水漏れに至るという不具合を防止することができる。 For this reason, it can suppress that the temperature of the cooling water in the cooler 13 rises to the boiling point or higher and the cooling water boils. As a result, it is possible to prevent a problem that the internal pressure of the cooling water circulation circuit is abnormally increased due to boiling of the cooling water, and various pipes and devices of the cooling water circulation circuit are damaged, leading to cooling water leakage.
また、第1冷却モードでは、加熱器12の余熱によって液体ピストン蒸気エンジン10から出力を取り出すので、第1、第2冷却モードにおける補助ウォーターポンプ21および補助ラジエータ22の電動送風ファン23の駆動動力の一部または全部を液体ピストン蒸気エンジン10から出力によって賄うことができる。このため、第1、第2冷却モードにおいて蓄電池16から供給される電力量を低減することができ、省エネルギー化を図ることができる。
Further, in the first cooling mode, the output is taken out from the liquid
しかも、第1、第2冷却モードでは、冷却水が水冷式内燃機関1およびヒータコア6等を迂回してバイパス流路20を流通することによって冷却水の流路長が短縮されるので、補助ウォーターポンプ21の駆動動力を低減することができ、より省エネルギー化を図ることができる。
In addition, in the first and second cooling modes, the coolant water bypasses the water-cooled internal combustion engine 1, the heater core 6 and the like and flows through the
また、図4に示すように、第1、第2冷却モードにおいて、加熱部温度Thが低下するにつれて補助ウォーターポンプ21の駆動動力を低減するようにすれば、一層省エネルギー化を図ることができる。このことは、補助ウォーターポンプ21の駆動動力のみならず、補助ラジエータ22の電動送風ファン23の駆動動力についても同様である。
Further, as shown in FIG. 4, in the first and second cooling modes, if the driving power of the
なお、本実施形態では、第1冷却モードにおいて、出力部14から取り出された出力でモータージェネレータ15による発電を行うようになっているが、変形例として、第1冷却モードにおいて、出力部14から出力を取り出してもモータージェネレータ15による発電を行わないようにしてもよい。
In the present embodiment, in the first cooling mode, power is generated by the
すなわち、出力部14から出力を取り出しているにも関わらずモータージェネレータ15による発電を行わない場合には、出力部14が無負荷になるので、液体ピストン蒸気エンジン10の作動周波数が高くなる。
That is, when the power is not generated by the
そのため、この変形例では、第1冷却モードにおける液体ピストン蒸気エンジン10の作動周波数を高くすることができるので、加熱部12aから作動媒体が奪う熱量が増大し冷却器13における作動媒体の冷却が促進されて、加熱部温度Thを短時間で低下させることができる。その結果、冷却モードを行う時間を短縮することができる。
Therefore, in this modification, since the operating frequency of the liquid
(第2実施形態)
上記第1実施形態では、補助ウォーターポンプ21および補助ラジエータ22の電動送風ファン23が蓄電池16から供給される電力によって駆動されるようになっているが、本第2実施形態では、図5に示すように、補助ウォーターポンプ31および補助ラジエータ22の電動送風ファン32が出力部14の出力軸14aに連結されている。
(Second Embodiment)
In the first embodiment, the
これにより、補助ウォーターポンプ31および補助ラジエータ22の電動送風ファン32が出力部14からの出力によって直接駆動される。
As a result, the
本実施形態においても、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。 Also in this embodiment, the same effect as the first embodiment can be obtained.
(第3実施形態)
上記各実施形態では、水冷式内燃機関1の停止後において、冷却器13に冷却水を循環させることによって冷却器13における冷却水の沸騰を抑制しているが、本第3実施形態では、図6に示すように、水冷式内燃機関1の停止後において、加熱器12を外部から冷却することによって冷却器13における冷却水の沸騰を抑制している。
(Third embodiment)
In each of the above embodiments, after the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped, the cooling water is circulated through the cooler 13 to suppress boiling of the cooling water in the cooler 13, but in the third embodiment, As shown in FIG. 6, after the water-cooled internal combustion engine 1 is stopped, the
図6は、本実施形態における車両用発電装置の概略構成図である。液体ピストン蒸気エンジン10の加熱器12は、水冷式内燃機関1の排気ガスが流れる排気パイプ40の途中に配置されている。
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the vehicular power generation device according to the present embodiment. The
本実施形態では、加熱器12を外部から冷却する冷却手段として、ラジエータ4の電動送風ファン5による送風空気を加熱器12に導入する導風路(図示せず)と、加熱器12に直接送風する電動送風ファン40と、加熱器12に水をかける放水機構41とが設けられている。
In the present embodiment, as a cooling means for cooling the
本例では、電動送風ファン40は、蓄電池16から供給される電力によって駆動されるようになっている。放水機構82は、図示しない水タンクと、水タンク内の水を加熱器12へ向けて噴射するインジェクタ41aとを有している。電動送風ファン40およびインジェクタ41aは上述した電子制御装置によって制御される。
In this example, the
これらの手段による加熱器12の冷却は、水冷式内燃機関1が停止したときに加熱部温度Thが第1の所定温度Tbを超えていると開始され、加熱部温度Thが第1の所定温度Tb以下に低下すると停止する。これにより、上記第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
The cooling of the
以上の説明からわかるように、本実施形態では、上述した加熱部温度低下手段が、加熱器12を外部から冷却する冷却手段によって構成されている。なお、加熱器12を外部から冷却する冷却手段として、必ずしも上記した導風路、電動送風ファン40および放水機構41の全てを設ける必要はなく、これらのうち少なくとも1つを設ければよい。
As can be seen from the above description, in the present embodiment, the heating unit temperature lowering means described above is constituted by a cooling means for cooling the
(他の実施形態)
なお、上記第1、第2実施形態では、補助ラジエータ22に送風する電動送風ファン23を配置しているが、電動送風ファン23を廃止してもよい。この場合には、蓄熱材を補助ラジエータ22に配置してもよい。これにより、電動送風ファン23の廃止に伴う放熱性能の低下を回避できるとともに、冷却水で回収した熱を有効利用することができる。
(Other embodiments)
In addition, in the said 1st, 2nd embodiment, although the
また、上記各実施形態では、バイパス流路20に補助ウォーターポンプ21を補助ラジエータ22を配置しているが、バイパス流路20を廃止して、ヒータ回路3の主回路に補助ウォーターポンプ21を補助ラジエータ22を配置するようにしてもよい。
In each of the above embodiments, the
また、上記各実施形態では、ヒータ回路3に液体ピストン蒸気エンジン10の冷却器13を配置しているが、ラジエータ回路2に液体ピストン蒸気エンジン10の冷却器13を配置してもよい。この場合には、第1、第2冷却モードにおいて、冷却水からの放熱ヒータ回路3のラジエータ4によって行うことができるので、補助ラジエータ22を廃止することができる。
In each of the above embodiments, the cooler 13 for the liquid
また、上記各実施形態では、水冷式内燃機関1の停止後のみ加熱部温度Thを低下させて冷却器13における冷却水の沸騰を抑制しているが、水冷式内燃機関1が高負荷状態から急に低負荷状態になったときにも上記各実施形態と同様に加熱部温度Thを低下させて冷却器13における冷却水の沸騰を抑制するようにしてもよい。 Moreover, in each said embodiment, although the heating part temperature Th is reduced only after the water-cooled internal combustion engine 1 stops, the boiling of the cooling water in the cooler 13 is suppressed, but the water-cooled internal combustion engine 1 is in a high load state. Even when the low load state is suddenly reached, the heating part temperature Th may be lowered in the same manner as in the above embodiments to suppress the boiling of the cooling water in the cooler 13.
すなわち、上記各実施形態ではウォーターポンプ7が水冷式内燃機関1の動力により駆動されるので、水冷式内燃機関1の廃熱量が多い高負荷状態から冷却水の循環量が少ない低負荷状態に急になると冷却水の循環量が不足して冷却器13で冷却水が沸騰してしまう虞があるためである。
That is, in each of the above-described embodiments, the
また、上記各実施形態では、ウォーターポンプ7が水冷式内燃機関1の動力により駆動されるようになっているが、ウォーターポンプ7として電動ウォーターポンプを採用し、水冷式内燃機関1の停止後に蓄電池16から供給される電力によってこのウォーターポンプ7を駆動するようにすれば、上記各実施形態と同様に、冷却器13における冷却水の沸騰を抑制することができる。
Further, in each of the above embodiments, the
この場合には、上記各実施形態におけるバイパス流路20、補助ウォーターポンプ21、補助ラジエータ22、電動送風ファン40および放水機構41等を廃止することができる。
In this case, the
また、上記各実施形態は、車両の走行用エンジンである水冷式内燃機関1の排気ガスを加熱源として作動媒体を加熱して蒸発させ、水冷式内燃機関1の冷却水を冷却源として作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させるように外燃機関が構成されているが、これに限定されることなく、種々の熱機関の廃熱を加熱源として作動媒体を加熱して蒸発させ、当該熱機関を冷却する種々の冷却用流体(例えば、オイル等)を冷却源として作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させるように外燃機関を構成してもよい。 In each of the above embodiments, the working medium is heated and evaporated by using the exhaust gas of the water-cooled internal combustion engine 1 which is a traveling engine of the vehicle as a heating source, and the working water is used by using the cooling water of the water-cooled internal combustion engine 1 as a cooling source. Although the external combustion engine is configured to cool and condense the steam of the engine, it is not limited to this, and the working medium is heated and evaporated using the waste heat of various heat engines as a heating source. The external combustion engine may be configured to cool and condense the vapor of the working medium using various cooling fluids (for example, oil) for cooling the engine as a cooling source.
また、上記各実施形態は、液体ピストン蒸気エンジン10の構成の一例を示したものに過ぎず、例えば上記特許文献1に示すように、液体ピストン蒸気エンジン10の構成を種々変更可能であることはもちろんである。
Moreover, each said embodiment is only what showed an example of the structure of the liquid
1 水冷式内燃機関(熱機関)
11 容器
12 加熱器
12a 加熱部
13 冷却器
14 出力部
20 バイパス流路
21 補助ウォーターポンプ(ポンプ手段)
22 補助ラジエータ(放熱手段)
1 Water-cooled internal combustion engine (heat engine)
DESCRIPTION OF
22 Auxiliary radiator (heat dissipation means)
Claims (14)
前記容器(11)の一端部と連通する加熱部(12a)を有し、前記加熱部(12a)にて前記作動媒体を加熱して蒸発させる加熱器(12)と、
前記容器(11)の中間部に配置され、前記加熱器(12)により発生した前記作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させる冷却器(13)と、
前記容器(11)の他端部と連通し、前記作動媒体の蒸発と凝縮に伴う前記作動媒体の体積変動によって生じる前記作動媒体の液体部分の変位を機械的エネルギに変換して出力する出力部(14)とを備え、
前記加熱器(12)は、熱機関(1)の廃熱を加熱源として前記作動媒体を加熱して蒸発させるようになっており、
前記冷却器(13)は、前記熱機関(1)を冷却する冷却用流体を冷却源として前記作動媒体の蒸気を冷却して凝縮させるようになっており、
前記冷却用流体から外部に放熱される熱量が前記作動媒体から前記冷却用流体に伝わる熱量よりも小さくなったときに前記加熱部(12a)の温度(Th)を低下させる加熱部温度低下手段を備えることを特徴とする外燃機関。 A tubular container (11) in which a working medium is encapsulated so as to be able to flow in a liquid state;
A heater (12) having a heating part (12a) communicating with one end of the container (11), and heating and evaporating the working medium in the heating part (12a);
A cooler (13) disposed in an intermediate portion of the container (11) and configured to cool and condense the vapor of the working medium generated by the heater (12);
An output unit that communicates with the other end of the container (11) and converts the displacement of the liquid portion of the working medium caused by the volume variation of the working medium accompanying evaporation and condensation of the working medium into mechanical energy and outputs the mechanical energy. (14)
The heater (12) is configured to heat and evaporate the working medium using the waste heat of the heat engine (1) as a heating source,
The cooler (13) is configured to cool and condense the vapor of the working medium using a cooling fluid that cools the heat engine (1) as a cooling source,
Heating unit temperature lowering means for lowering the temperature (Th) of the heating unit (12a) when the amount of heat radiated from the cooling fluid to the outside is smaller than the amount of heat transferred from the working medium to the cooling fluid; An external combustion engine characterized by comprising.
前記バイパス流路(20)には、前記ポンプ手段(21、31)と、前記冷却用流体の有する熱を外部に放出する放熱手段(22)とが設けられていることを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1つに記載の外燃機関。 A bypass channel (20) for bypassing the heat engine (1) and circulating the cooling fluid so that the channel length of the cooling fluid is shortened;
The said bypass flow path (20) is provided with the said pump means (21, 31) and the thermal radiation means (22) which discharge | releases the heat which the said fluid for cooling has outside. The external combustion engine according to any one of 2 to 5.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20110510 |